2025年大學《氣象技術與工程》專業(yè)題庫——大學氣象技術與工程專業(yè)實踐總結案例考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______試卷內容一、案例分析：某沿海地區(qū)計劃建設一套先進的臺風災害預警系統(tǒng)，以提高對臺風路徑、強度變化和風雨影響的監(jiān)測、預報和預警能力，進而減少臺風帶來的經濟損失和人員傷亡。系統(tǒng)需整合多源數(shù)據(jù)，包括高分辨率數(shù)值天氣預報產品、多普勒天氣雷達觀測數(shù)據(jù)、自動氣象站網數(shù)據(jù)、衛(wèi)星云圖信息以及沿海水文氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)等。請就以下方面進行總結與分析：1.簡述在該地區(qū)建設此類臺風預警系統(tǒng)的必要性和重要性。2.分析系統(tǒng)中可能采用的關鍵氣象技術（至少列舉三種，并說明其作用），以及選擇這些技術的理由。3.描述在整合多源數(shù)據(jù)時應考慮的關鍵問題（如數(shù)據(jù)融合方法、數(shù)據(jù)質量控制、時空插值等），并簡述解決這些問題的思路。4.針對臺風風雨影響評估與預警，請設計一個初步的技術方案框架，包括主要步驟和輸出產品。5.考慮到沿海地區(qū)的特點，該預警系統(tǒng)在實際應用中可能面臨哪些挑戰(zhàn)？并提出相應的應對策略建議。二、論述：現(xiàn)代氣象預報技術，特別是數(shù)值天氣預報（NWP）技術的飛速發(fā)展，對氣象服務的精度和時效性提出了更高要求。然而，NWP產品的應用并非簡單的“拿來主義”，在實際氣象服務中，如何有效地利用NWP信息，特別是針對局地性、突發(fā)性天氣現(xiàn)象，仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。請結合氣象技術與工程領域的知識，論述在氣象服務中應用NWP產品時，需要考慮哪些關鍵因素？如何通過技術手段或工程方法提高NWP產品的應用價值？三、簡答：1.簡述氣象雷達在探測強對流天氣（如雷暴）中的主要作用及其工作原理中的關鍵物理基礎。2.在氣象儀器維護中，校準是保證觀測數(shù)據(jù)質量的重要環(huán)節(jié)。請簡述進行氣象儀器（如溫度、濕度傳感器）校準的基本流程和常用方法。3.人工影響天氣（如人工增雨）是一項復雜的系統(tǒng)工程。簡述實施人工增雨作業(yè)需要考慮的主要氣象條件和技術環(huán)節(jié)。試卷答案一、案例分析：1.必要性和重要性：*必要性：該沿海地區(qū)易受臺風侵襲，臺風可能帶來強風、暴雨、風暴潮、雷電等多種氣象災害，造成嚴重的經濟損失和人員傷亡。傳統(tǒng)的臺風預警手段可能存在時效性差、精度不高、信息不全面等問題，難以滿足現(xiàn)代社會對防災減災精細化、及時化、智能化的需求。建設先進的臺風災害預警系統(tǒng)是提升區(qū)域防災減災能力的必然要求。*重要性：先進預警系統(tǒng)通過整合多源數(shù)據(jù)、運用先進技術，能夠更準確地監(jiān)測臺風動態(tài)、預測其路徑和強度變化，提前發(fā)布更精準的預警信息。這有助于政府部門制定更有效的應急響應預案，指導公眾提前采取避險措施，從而顯著減少臺風可能造成的生命財產損失，提升區(qū)域防御臺風的能力和水平。2.關鍵氣象技術及其作用與理由：*高分辨率數(shù)值天氣預報（NWP）：作用是提供臺風路徑、強度、風雨結構等要素的精細化預報場。理由是NWP能夠基于物理定律模擬大氣運動，提供連續(xù)的、大范圍的三維氣象場信息，其分辨率越高，對臺風內部結構和局地影響的描述越精細，是預警系統(tǒng)的基礎。*多普勒天氣雷達：作用是提供臺風近外圍區(qū)域的實時光學探測信息，特別是對強風區(qū)、冰雹、龍卷等強對流天氣的監(jiān)測和定位。理由是雷達能夠探測到災害性天氣系統(tǒng)內部的微物理過程（如雨滴、冰雹的相態(tài)和大?。?，提供NWP無法直接獲取的近距離、高時空分辨率的實況信息，是彌補預報、指導預警的重要手段。*自動氣象站網：作用是提供地面實況氣象要素（氣溫、氣壓、風速風向、降水等）數(shù)據(jù)，用于驗證NWP和雷達探測結果，監(jiān)測地面天氣變化，提供臨近預報依據(jù)。理由是地面觀測是氣象要素的最終體現(xiàn)，密集的站網能提供高時空密度的實況，對評估預報精度、識別局地特征、發(fā)布臨近預警至關重要。*衛(wèi)星云圖：作用是提供大范圍、連續(xù)的云層覆蓋和演變信息，用于追蹤臺風位置、判斷其發(fā)展階段和強度變化。理由是衛(wèi)星可以覆蓋廣闊地域，提供從宏觀到中微觀尺度的云信息，是監(jiān)視臺風動態(tài)、輔助預報和預警的重要補充。*（可選）水文氣象監(jiān)測：作用是監(jiān)測降雨量、水位等信息，評估臺風帶來的水文災害風險（如洪水、山體滑坡）。理由是臺風常伴隨大降水，準確的水文監(jiān)測對于評估和預警洪水等次生災害至關重要。3.多源數(shù)據(jù)整合的關鍵問題與解決思路：*數(shù)據(jù)融合方法：不同數(shù)據(jù)源（如數(shù)值產品、雷達、地面站、衛(wèi)星）的時空分辨率、物理量、精度、更新頻率等存在差異。解決思路包括：采用多傳感器數(shù)據(jù)融合算法（如卡爾曼濾波、粒子濾波、集合卡爾曼濾波），根據(jù)不同數(shù)據(jù)源的優(yōu)缺點和適用范圍，進行加權組合或模型融合，生成一致性更高、信息更豐富的綜合產品。*數(shù)據(jù)質量控制：原始觀測數(shù)據(jù)可能存在誤差、缺失或異常值。解決思路包括：建立完善的數(shù)據(jù)質量控制流程，采用統(tǒng)計方法（如均值、方差、相關性檢驗）和專家經驗規(guī)則，對數(shù)據(jù)進行清洗、插補和校正，確保進入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質量可靠。*時空插值：不同數(shù)據(jù)源的空間分布和時間采樣點不同，需要將數(shù)據(jù)統(tǒng)一到模型網格或預警產品的時間序列上。解決思路包括：采用合適的時空插值方法（如反距離加權插值、Krig插值、立方卷積等），根據(jù)數(shù)據(jù)特性和應用需求，將離散數(shù)據(jù)平滑、內插到目標空間網格或時間點上。4.臺風風雨影響評估與預警方案框架：*主要步驟：1.數(shù)據(jù)獲取與預處理：獲取NWP、雷達、衛(wèi)星、地面站等多源實時和歷史數(shù)據(jù)，進行質量控制、時空插值和融合處理。2.臺風動態(tài)監(jiān)測與預報：利用多源數(shù)據(jù)（特別是雷達和衛(wèi)星）連續(xù)跟蹤臺風位置、移動速度和方向；結合NWP產品進行臺風路徑和強度變化預測。3.風雨影響定量評估：基于NWP產品或融合后的數(shù)據(jù)，計算臺風影響區(qū)域的風速（考慮陣風）、降雨量（強度、時程分布）、可能的風暴潮增水等氣象要素。4.災害風險區(qū)劃：結合地理信息（如人口分布、重要設施、地形地貌、易澇點等），評估不同區(qū)域的風、雨、潮影響程度和潛在風險等級。5.預警信息生成與發(fā)布：根據(jù)評估結果和風險區(qū)劃，按照預警級別標準，生成針對性的臺風預警信息（包括預警區(qū)域、預警級別、主要影響、防御建議等），通過多種渠道（如手機短信、電視廣播、網站、APP等）及時發(fā)布。*輸出產品：實時更新的臺風位置和動態(tài)圖、臺風路徑和強度預測曲線、風雨影響分布圖（風場圖、雨量累積/小時雨量圖）、風暴潮預警信息、災害風險評估圖、分級別的預警令/通知等。5.實際應用挑戰(zhàn)與應對策略：*挑戰(zhàn)：*預報精度限制：NWP產品，尤其對臺風這種尺度較大的天氣系統(tǒng)，中短期預報存在不確定性，精度有限。*數(shù)據(jù)獲取與傳輸?shù)膶崟r性：高質量觀測數(shù)據(jù)（如雷達、衛(wèi)星）的獲取和傳輸延遲可能影響預警時效。*局地性效應忽略：大尺度NWP模式可能難以精確捕捉沿海地區(qū)的地形、海岸線對風、浪、潮的放大和修改效應。*預警信息“最后一公里”傳遞：如何確保預警信息準確、及時地觸達所有需要防范的人群，特別是偏遠地區(qū)或弱勢群體。*社會公眾認知與響應差異：公眾對臺風風險的認知水平和防災意識的差異，可能導致預警效果打折。*應對策略：*結合多種預報源與經驗判斷：不僅依賴NWP，應綜合分析雷達、衛(wèi)星、歷史數(shù)據(jù)、專家經驗等，進行綜合研判和預報訂正。*發(fā)展快速數(shù)據(jù)傳輸與處理技術：優(yōu)化觀測網絡布局和數(shù)據(jù)傳輸鏈路，利用大數(shù)據(jù)和云計算技術提高數(shù)據(jù)處理和產品生成效率。*應用區(qū)域數(shù)值模式或統(tǒng)計訂正技術：針對沿海地區(qū)，可使用更高分辨率的區(qū)域數(shù)值天氣預報模式，或利用統(tǒng)計方法結合地形等因素對大尺度預報進行訂正，提高局地預報精度。*構建多元化、精準化的發(fā)布渠道：整合電視、廣播、手機短信、微信、專用APP、社區(qū)公告欄、預警大喇叭等多種渠道，實現(xiàn)多級發(fā)布，并探索基于地理位置的精準推送。*加強公眾教育和應急演練：持續(xù)開展臺風知識科普，提高公眾風險意識，通過模擬演練讓公眾熟悉預警信號和應急響應措施。二、論述：在氣象服務中有效利用NWP產品，需要系統(tǒng)性地考慮以下關鍵因素，并通過技術或工程方法提升其應用價值：1.理解NWP產品的局限性與適用性：NWP產品，特別是中短期預報，存在固有的誤差和不確定性。必須清楚了解模式對特定區(qū)域（尤其是小尺度、強對流天氣）、特定要素（如風場細節(jié)、降水落區(qū)）的模擬能力。不能盲目迷信預報結果，要認識到其指導性而非絕對精確性。選擇與預報時效和空間尺度相匹配的應用場景。例如，短期高分辨率預報更適用于城市內澇預警，而長期預報則側重于規(guī)劃性天氣風險評估。2.加強多源數(shù)據(jù)融合與同化技術：NWP的預報質量很大程度上依賴于初始場和邊界條件的準確性。氣象服務部門應致力于建設高效的多源數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，整合來自地面自動站、氣象雷達、衛(wèi)星、探空、水文監(jiān)測等多樣化的觀測信息。應用先進的數(shù)值同化技術（如集合卡爾曼濾波），將高質量、高密度的實況數(shù)據(jù)有效地融入NWP模式中，以修正模式初始場，提高預報的起點精度。這需要強大的計算能力和先進的數(shù)據(jù)處理算法支持。3.發(fā)展針對性的后處理與訂正技術：原始NWP輸出產品（如格點數(shù)據(jù)）往往需要經過后處理才能直接應用于氣象服務。關鍵的后處理技術包括：*客觀分析：將稀疏觀測數(shù)據(jù)插值分析成高分辨率的格點場，作為模式初始場或用于評估預報。*統(tǒng)計訂正：利用統(tǒng)計模型（如回歸、神經網絡）結合歷史資料或次級模式信息，對NWP輸出的關鍵要素（如降水、氣溫、風速）進行偏差訂正或概率訂正，以改善預報精度。*要素轉換與派生：根據(jù)服務需求，將NWP輸出的基本氣象要素（如溫度、氣壓）派生為更有應用價值的產品（如風功率預報、災害性天氣指標、空氣質量指數(shù)等）。4.嵌入專業(yè)領域知識與經驗：將氣象學、水文學、海洋學、生態(tài)學等領域的專業(yè)知識，以及預報員、服務專家長期積累的經驗判斷，有效融入NWP產品的應用流程中。例如，在分析強對流天氣潛力時，結合對流指數(shù)、垂直風切變等診斷圖，并結合預報員對雷達回波演變、地形影響的經驗；在制作農業(yè)氣象服務時，結合作物生長模型和農業(yè)專家知識解讀溫度、降水對作物的影響?？梢蚤_發(fā)基于規(guī)則的專家系統(tǒng)或人機交互平臺來實現(xiàn)這一點。5.開發(fā)智能化、可視化的服務應用：利用大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）等技術，對NWP產品和多源數(shù)據(jù)進行深度挖掘和智能分析，提取更有價值的信息。例如，利用機器學習預測預報產品的概率落區(qū)和強度風險；利用AI技術自動生成圖文并茂、易于理解的氣象預報產品。開發(fā)交互式、三維可視化的氣象服務平臺，使用戶（如決策者、公眾）能夠方便地查詢、分析、評估NWP信息及其影響，提升用戶體驗和決策支持能力。三、簡答：1.氣象雷達在探測強對流天氣中的作用與原理：*作用：氣象雷達是探測和監(jiān)測強對流天氣（如雷暴）的核心工具。其主要作用包括：實時探測雷暴的位置、移動方向和速度；識別雷暴內部的多普勒速度特征，判斷是否存在強風區(qū)、旋轉結構（如冰雹云中水平旋轉氣流，預示可能產生冰雹或龍卷），以及識別風暴頂高度；通過測量回波強度（反射率因子Z），評估降水強度，識別冰雹云等。這些信息對于早期發(fā)現(xiàn)危險天氣、跟蹤其演變、發(fā)布預警至關重要。*原理：氣象雷達發(fā)射電磁波，電磁波遇到云滴、雨滴、雪花、冰雹、冰晶等氣象目標時發(fā)生散射，部分散射信號被雷達接收。通過測量接收到的回波信號的強度（反射率）、相位、多普勒頻移等參數(shù)?；夭◤姸扰c目標粒子的大小、濃度以及與雷達的距離有關，反映了降水性質和強度。多普勒頻移則反映了目標粒子相對于雷達的運動速度，可以用來測量風暴中氣流的速度，從而探測風場結構，識別旋轉等危險特征。雷達通過不斷發(fā)射和接收信號，生成二維或三維的雷暴分布圖和風場圖。2.氣象儀器校準的基本流程和常用方法：*基本流程：1.制定校準計劃：明確需要校準的儀器設備、校準依據(jù)的標準、校準周期、校準環(huán)境要求、所用設備、操作人員等。2.選擇校準標準器：選用精度高于被校儀器、量程匹配、經過上級授權或溯源合格的校準標準器。3.準備校準環(huán)境：確保校準環(huán)境（如溫度、濕度、振動、電磁干擾等）符合儀器說明書和校準規(guī)范的要求。4.進行校準操作：按照規(guī)定的步驟和順序，將被校儀器與標準器進行比較測量。記錄被校儀器讀數(shù)和標準器示值（或修正值）。5.數(shù)據(jù)處理與結果判定：計算被校儀器的示值誤差（測量值-標準器真值/修正值）。將誤差與儀器的允許誤差限進行比較，判斷儀器是否合格。6.出具校準證書/報告：如儀器合格，記錄校準結果、標準器信息、環(huán)境條件、操作人員、校準日期等，并簽發(fā)校準證書或報告，標明儀器的修正值或狀態(tài)標識（合格/不合格）。7.結果追溯與記錄保存：建立校準記錄檔案，確?？勺匪菪?，按規(guī)定期限保存校準記錄和證書。*常用方法：*直接比較法：將被校儀器與同一量程、更高精度的標準器直接連接或并排放置，讀取兩者的示值，比較差異。適用于指針式儀表、部分電子儀表等。*替代法：在被校儀器處于待測狀態(tài)時，用已知精確值的量具或標準器替代被測量，觀察被校儀器反應是否一致。適用于測量過程中需要保持被測對象狀態(tài)不變的場合。*零位法：將被校儀器調整到零位，然后測量已知為零的量（如天平稱量空載），檢查儀器是否回零準確。*量程校準法：在被校儀器的整個量程內，選擇若干個有代表性的點（通常包括量程的上限、下限和中間幾個點），用標準器進行測量，記錄誤差。*傳遞法：通過一系列逐級傳遞的標準器，將被校儀器校準到更高的精度等級。適用于無法直接使用高等級標準器進行校準的情況。3.人工影響天氣（如人工增雨）實施的主要氣象條件和技術環(huán)節(jié)：*主要氣象條件：1.有利的云層結構：通常需要選擇含有足夠大水滴或冰晶，且具備“增長潛力”的云層，如積云、混合云或冰水混合云。云中需要有能夠提供“成核”物質（如吸濕性冰核、碘化銀粒子）的載體（如氣流上升到過冷層形成的過冷水滴或冰晶）。2.足夠的上升氣流：強大的垂直上升運動是水汽凝結、云滴增長（如碰并增長）和冰晶形成（如冰水轉化）的關鍵條件，有助于云體發(fā)展到能夠產生降水的程度。3.充沛的水汽供應：云層附近或其發(fā)展路徑上需要有足夠的水汽含量，作為降水增長的“燃料”。4.適宜的溫度層結：云層發(fā)展上升過程